Системы охлаждения силовых трансформаторов

При работе трансформатора происходит нагрев обмоток и магнитопровода за счет потерь энергии в них. Предельный нагрев частей трансформатора ограничивается изоляцией, срок службы которой зависит от температуры нагрева. Чем больше мощность трансформатора, тем интенсивнее должна быть система охлаждения.

Ниже приводится краткое описание систем охлаждения трансформаторов.

Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется путём естественной конвекции воздуха и частично лучеиспускания в воздухе. Такие трансформаторы получили название «сухих». Условно принято обозначать естественное воздушное охлаждение при открытом исполнении С, при защищённом исполнении СЗ, при герметизированном исполнении СГ, с принудительной циркуляцией воздуха СД.

Допустимое превышение температуры обмотки сухого трансформатора над температурой охлаждающей среды зависит от класса нагревостойкости изоляции и согласно ГОСТ 11677-85 должно быть не больше: 60 °С (класс А); 75 °С (класс Е); 80 °С (класс В); 100 °С (класс F); 125 °С (класс Н).

Данная система охлаждения ранее была малоэффективна, поэтому применялась для трансформаторов мощностью до 1600 кВА при на­пряжении до 15 кВ.

В последние годы в результате использования более нагревостойких изоляционных материалов на основе кремнийорганических компаундов выпускаются сухие трансформаторы с мощностями до 16 МВА при напряжении 35 кВ [35], которые используются на электростанциях при должном обосновании.

Естественное масляное охлаждение (М) выполняется для трансформаторов мощностью до 16000 кВА включительно. В таких трансформаторах теплота, выделенная в обмотках и магнитопроводе (выемная часть), передается окружающему маслу, которое, циркулируя по баку и радиаторным трубам (охлаждающая поверхность), передает его окружающему воздуху. При номинальной нагрузке трансформатора температура масла в верхних, наиболее нагретых слоях не должна превышать 95 °С [32]. Для лучшей отдачи теплоты в окружающую среду, бак трансформатора снабжается ребрами, охлаждающими трубами или радиаторами в зависимости от мощности.

Масляное охлаждение с дутьём и естественной циркуляцией масла (Д) применяется для более мощных трансформаторов. В этом случае в навесных охладителях из радиаторных труб помещаются вентиляторы. Вентилятор засасывает воздух снизу и обдувает нагретую верхнюю часть труб. Пуск и останов вентиляторов могут осуществляться автоматически в зависимости от нагрузки и температуры нагрева масла. Трансформаторы с таким охлаждением могут работать при полностью отключенном дутье, если нагрузка не превышает 100 %номинальной, а температура верхних слоев масла не более 55 °С, атакже при минусовых температурахокружающего воздуха и температуре масла не выше 45 °С независимо от нагрузки. Максимально допустимая температура масла в верхних слоях при работе с номинальной нагрузкой составляет 95 °С [32].

Форсированный обдув радиаторных труб улучшает условия охлаждения масла, обмоток и магнитопровода трансформатора, что позволяет изготовлять такие трансформаторы мощностью до 80 000 кВА.

Масляное охлаждение с дутьём и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители (ДЦ) применяется для трансформаторов мощностью 63000 кВА и более.

Охладители состоят из системы тонких ребристых трубок, обдуваемых снаружи вентилятором. Электронасосы, встроенные в маслопроводы, создают непрерывную принудительную циркуляцию масла через охладители.

Благодаря большей скорости циркуляции масла, развитой поверхности охлаждения и интенсивному дутью охладители обладают большей теплоотдачей и компактностью. Переход к такой системе охлаждения позволяет значительно уменьшить габариты трансформаторов.

Охладители могут устанавливаться вместе с трансформатором на одном фундаменте или на отдельных фундаментах рядом с баком трансформатора.

В трансформаторах с направленным потоком масла (НДЦ) интенсивность охлаждения повышается, что позволяет увеличить допустимые температуры обмоток.

Масляно-водяное охлаждение с принудительнойциркуляцией масла (Ц) принципиально устроено так же, как система ДЦ, но в отличие от последнего охладители состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубками движется масло.

Температура масла на входе в маслоохладитель не должна превышать 70 °С.

Чтобы предотвратить попадание воды в масляную систему трансформатора, давление масла в маслоохладителях должно превышать давление циркулирующей в них воды не менее чем на 0,01 МПа (1 Н/см²). Эта система охлаждения эффективна, но имеет более сложное конструктивное выполнение и применяется на мощных трансформаторах (160 MBА и более).

Масляно-водяное охлаждение с направленным потоком масла(НЦ) применяется для трансформаторов мощностью 630 MBА и более.

На трансформаторах с системами охлаждения ДЦ и Ц устройства принудительной циркуляции масла должны автоматически включаться одновременно с включением трансформатора и работать непрерывно независимо от нагрузки трансформаторов. В то же время число включаемых в работу охладителей определяется нагрузкой трансформатора. Такие трансформаторы должны иметь сигнализацию о прекращении циркуляции масла, охлаждающей воды или об останове вентилятора.

Следует отметить, что в настоящее время ведутся разработки новых конструкций трансформаторов с обмотками, охлаждаемыми до очень низких температур. Металл при низких температурах обладает сверхпроводимостью, что позволяет резко уменьшить сечение обмоток. Трансформаторы с использованием принципа сверхпроводимости (криогенные трансформаторы) будут иметь малую транспортировочную массу при мощностях 1000 MBА и выше.

Схемы и группы соединений

Обмотки трансформаторов имеют обычно схемы соединения: звезда (Y), звезда с выведенной нейтралью (Y₀) и треугольник ( ).

Сдвиг фаз между ЭДС первичной и вторичной обмоток (Е₁ и Е₂) принято выражать условно группой соединений.

В трехфазном трансформаторе применением разных способов соедине­ний обмоток можно образовать двенадцать различных групп соединений, причем при схемах соединения обмоток звезда — звезда мы можем получить любую четную группу (2, 4, 6, 8, 10, 0), а при схеме звезда — треугольник или треугольник — звезда любую нечетную группу (1, 3, 5, 7, 9, 11).

Группы соединений указываются справа от знаков схем соединения об­моток. Трансформаторы двухобмоточные, трёхобмоточные и с ращепленными обмотками НН имеют схемы и группы соединения: Y₀/ ; Y₀ –/Y₀ –/ ; и Y/ соответственно.

Соединение в звезду обмотки ВН позволяет выполнить внутреннюю изоляцию из расчета фазной ЭДС, т. е. в раз меньше линейной. Обмотки НН преимущественно соединяются в треугольник, что позволяет уменьшить сечение обмотки, рассчитав её на фазный ток . Кроме того, при соединении обмотки трансформатора в треугольник создается замкнутый контур для токов высших гармоник, кратных трём, которые при этом не выходят во внешнюю сеть, вследствие чего улучшается симметрия напряжения на нагрузке.

Сверхмощные генераторы конструктивно выполняются с двумя трёх­фазными обмотками статора, ЭДС которых сдвинуты на 30°. Для работы в блоке с такими генераторами изготовляются мощные однофазные транс­форматоры с двумя обмотками низшего напряжения и двумя обмотками высшего напряжения. В трёхфазной группе для компенсации сдвига ЭДС обмоток статора генератора одна обмотка низшего напряжения соединяется по схеме «треугольник», а другая — по схеме «звезда».

Соединение обмоток в звезду с выведенной нулевой точкой приме­няется в том случае, когда нейтраль обмотки должна быть заземлена. Глухое заземление нейтрали обмоток ВН обязательно в трансформаторах 220 кВ и выше и во всех автотрансформаторах, как частный случай эффективного заземления нейтрали. Системы 110 кВ также работают с эффективно-заземлённой нейтралью, однако для уменьшения токов однофазного КЗ нейтрали части трансформаторов могут быть разземлены. Так как изоляция нулевых выводов обычно не рассчитывается на полное напряжение, то в режиме разземления нейтрали необходимо снизить возможные перенапряжения путем присоединения ограничителей перенапряжений (ОПН) к нулевой точке трансформатора. Нейтраль заземляется также на вторичных обмотках трансформаторов, питающих четырёхпроводные сети 380/220 и 220/127 В. Нейтрали обмоток при напряжении 10—35 кВ не заземляются или заземляются через дугогасящую катушку для компенсации ёмкостных токов.

Технические данные силовых трансформаторов и автотрансформато­ров, их схемы и группы соединений определяются действующими ГОСТ.

Регулирование напряжений

Для нормальной работы потребителей необходимо поддерживать определенный уровень напряжения на шинах подстанций. В электрических сетях предусматриваются различные способы регулирования напряжения, одним из которых является изменение коэффициента трансформации трансформаторов.

Известно, что коэффициент трансформации определяется как отношение первичного напряжения ко вторичному, или

где , — число витков первичной и вторичной обмоток соот­ветственно.

Отсюда

Обмотки трансформаторов снабжаются дополнительными ответ­влениями, с помощью которых можно изменять коэффициент транс­формации. Переключение ответвлений может происходить без возбуждения (ПБВ), т. е. после отключения всех обмоток от сети или под нагрузкой (РПН).

Устройство ПБВ позволяет регулировать напряжение в пределах ±5 %, для чего трансформаторы небольшой мощности, кроме основного вывода, имеют два ответвления от обмотки высшего напряжения: +5 % и –5 % (рис. 4.14). Если трансформатор работал на основном выводе 0 и необходимо по­высить напряжение на вторичном стороне , то, отключив трансформатор, производят переключение на ответвление –5 %, уменьшая тем самым число витков .

Устройство ПБВ не позволяет регулировать напряжение в течение суток, так как это потребовало бы частого отключения трансформатора для про­изводства переключений, что по условиям эксплуатации практически недопустимо. Обычно ПБВ используется только для сезонного регулирования напряжения.

Регулирование под нагрузкой (РПН) позволяет переключать ответвления обмотки трансформатора без разрыва цепи. Устройство РПН предусматривает регулирование напряжения в различных пределах в зависимости от мощности и напряжения трансформатора (от ±10 до 16 % ступенями приблизительно по 1,5%).

Рис. 4.14. Схема регулирования напряжения ПБВ с трехфазным переключателем:

1 – неподвижный контакт; 2 – сегмент контактный; 3 – вал переключателя

Регулировочные ступени выполняются на стороне ВН, так как меньший по значению ток позволяет облегчить переключающее устройство. Для расширения диапазона регулирования без увеличения числа ответвлений применяют ступени грубой и тонкой регулировки (рис. 4.15). Наибольший коэффициент трансформации получается, если переключатель П находится в положении II, а избиратель И — на ответвлении 6. Наименьший коэффициент трансформации будет при положении переключателя I, а избирателя — на ответвлении 1.

Рис. 4.15. Схема регулирования напряжения РПН:

Ab — основная обмотка; bc — ступень грубой регулировки;

de — ступени плавной регулировки

Переход с одного ответвления регулировочной обмотки на другое осуществляется так, чтобы не разрывать ток нагрузки и не замыкать накоротко витки этой обмотки. Это достигается в специальных переключающих устройствах с тиристорными переключателями.

Для регулирования напряжения под нагрузкой на мощных трансформаторах и автотрансформаторах применяются также последовательные регулировочные трансформаторы (рис. 4.16). Они состоят из последовательного трансформатора 2, который вводит добавочную ЭДС в основную обмотку, автотрансформатора 1, и регулировочного автотрансформатора 3, который меняет эту ЭДС. С помощью таких трансформаторов можно изменять не только напряжение (продольное регулирование), но и его фазу (поперечное регулирование). Устройство таких трансформаторов значительно сложнее, чем РПН, поэтому они дороже и применение их ограничено.

Одним из видов последовательных регулировочных трансформаторов являются регуляторы, которые включаются последовательно в линию или в цепь трансформатора без РПН, обеспечивая регулирование напряжения в пределах ±(10—15) %.

Рис. 4.16. Схема включения последовательного регулировочного трансформатора в цепь автотрансформатора: 1 — основная обмотка; 2 — последовательный трансформатор;

3 — регулировочный автотрансформатор

Широкое применение линейные регуляторы находят на подстанциях с автотрансформаторами. На стороне СН регулирование напряжения обеспечивается встроенным в автотрансформатор РПН, а на стороне НН устанавливается регулировочный трансформатор, снабженный автоматическим регулированием напряжения. Регулировочные трансформаторы типа ЛТМ выпускаются мощностью 1,6—6,3 MBА на напряжение 6—10 кВ, типов ЛТМН, ЛТДН мощностью 16—100 MBА на напряжение до 35 кВ [2]

Включение трансформаторов

На параллельную работу

При параллельной работе двух или нескольких трансформаторов должны быть выполнены следующие условия.

1. Номинальные напряжения на высокой и низкой стороне должны быть одинаковы. Допускается разность коэффициентов трансформации не более 0,5 %.

2. Группы соединения обмоток должны быть одинаковыми.

3. Напряжения короткого замыкания должны быть одинаковыми. Допускается среднего значения не более чем ±10 %

4. Не рекомендуется параллельная работа трансформаторов с отношением номинальных мощностей, большим трёх.

Группа соединений обмоток определяется углом сдвига векторов линейных и фазных напряжений первичных и вторичных обмоток.

При включении на параллельную работу трансформаторов с разными группами соединений в лучшем случае возникает расхождение векторов напряжений на 30 °, что приводит к протеканию уравнительных токов, в 3—5 раз превышающих номинальные токи трансформаторов. Трансформаторы с четными группами соединений включаться на параллельную работу с трансформаторами с нечётными группами соединений не могут; недопустимо включение групп 12, 4 и 8 с группами 6, 10 и 2.

Неравенство коэффициентов трансформации у параллельно рабо­тающих трансформаторов повлечёт за собой уравнительные токи. Если, например, включаются на параллельную работу два трансформатора с коэффициентами трансформации и то на вторичной стороне появится разность напряжений:

.

При этом уравнительный ток

,

где и — полные сопротивления обмоток трансформаторов, Ом.

Эти сопротивления можно определить по известным напряжениям КЗ по формуле:

,

где и — номинальные значения тока и напряжения во вторичных обмотках трансформатора.

Уравнительный ток является индуктивным током, и хотя в некоторых случаях его значение может оказаться выше номинального тока трансформатора, с учётом того, что оно складывается с током основной нагрузки почти в квадратуре, допускается кратковременное включение на параллельную работу таких трансформаторов на время перехода с одного трансформатора на другой [21].

Неравенство напряжений короткого замыкания вызовет распределение нагрузки между параллельно включенными трансформаторами, непропорциональное их номинальным мощностям. Такое же неравенство распределения нагрузок возникает и при неодинаковых коэффициентах трансформации включаемых на параллель трансформаторов.